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    助力石灰行業超低排放,新型高效低成本脫硝技術推出!

    2021-01-08 15:23:13  來源:石灰窯生態圈
          助力石灰行業超低排放,新型高效低成本脫硝技術推出!
             一、導語:
        石灰作為冶金、化工、建材、醫藥、農業及環保等行業的基礎原料,我國石灰行業具有應用范圍廣、使用量大的特點。2020年,雖然整個石灰行業繼續保持了平穩、利好的態勢,但是淘汰落后產能和環保限產也貫穿了整個2020年。隨著*新新環保政策實施力度不斷加大,對石灰行業產生了較大影響,我國對石灰行業環保治理的“重拳出擊”,已經從 “先污染、后治理”的惡性循環走了出來,環境保護工作從無法可依,逐步走向有法可依、違法必究的正軌,企業主動拆除落后產能裝備行為將明顯增加。
           2018年以來,“超低排放”概念和政策已經植入水泥和鋼鐵等重點行業,各省市不斷加大環保力度,部分地區陸續出臺較之更加嚴格的大氣排放標準。2021年是“十四五”的開局之年,石灰行業將迎來淘汰落后石灰產能*后的攻堅戰,尤其是石灰行業氮氧化物(脫硝)排放治理工作將是重點。
        在石灰生產中的煙氣多污染物控制中,顆粒物和二氧化硫均可通過現有污控設施升級改造來滿足控制需求,而對氮氧化物(脫硝),缺乏專門的控制設施和技術。亟需針對石灰行業煙氣日漸嚴格的排放標準,開發契合石灰生產煙氣特征的氮氧化物超低排放控制技術。但是,目前石灰生產行業對脫硝尚未有成熟技術出現,如何彌補本行業的環?杖背蔀橹刂兄。新型高效低成本脫硝技術—“嵌入式梯級爐內還原脫硝技術(TLH)”的推出有效的解決了這個問題,為我國石灰行業做出了表率。
        二、我國“十三五”及“十四五”節能減排工作方案:
        國務院發布的《“十三五”節能減排綜合工作方案》主要目標:到2020年,全國萬元國內生產總值能耗比2015年下降15%,能源消費總量控制在50億噸標準煤以內。全國化學需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放總量分別控制在2001萬噸、207萬噸、1580萬噸、1574萬噸以內,比2015年分別下降10%、10%、15%15%。全國揮發性有機物排放總量比2015年下降10%以上。
          “十四五”是我國在全面建成小康社會、實現首個百年奮斗目標后,乘勢而上開啟全面建設社會主義現代化國家新征程的頭一個五年。我國將邁向全面建設社會主義現代化國家和推動高質量發展的新發展階段,實現與高質量發展相匹配的高水平生態環境保護仍是“十四五”時期綠色發展的重要考驗。加快構建科技含量高、資源消耗低、環境污染少的綠色生產體系已成為行業可持續發展內在需求。
        “十四五”時期工業生產領域環境治理的法律法規將不斷完善,監督管理力度將不斷加強,大氣污染物的減排仍要進一步提升。石灰行業減排技術將向高效、清潔、靈活、低碳和智能方向發展。非常規污染物控制技術、二氧化碳減排控制和利用技術等都將成為重點研究對象。
          三、我國石灰行業環境治理指標借鑒:
        《2019年石灰行業大氣污染防治攻堅戰實施方案》中對大氣污染攻堅總目標中明確規定:單位石灰綜合能耗降低率6%;粉塵排放降低率15%;二氧化硫排放降低率10%;二氧化碳污染因子排放降低率15%(煤改氣);石灰窯節能減排達標率 85%,其中占國際領先水平比例50%;2019年達標比例80%。
           20194月,生態環境部、發展改革委、工業和信息化部、財政部、交通運輸部等五部委聯合印發了《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》,提出各地按照超低排放指標要求,幫助企業合理選擇改造技術路線,積極有序推進現有鋼鐵企業超低排放改造!兑庖姟分忻鞔_包括了石灰窯、白云石窯、燃用發生爐煤氣等涉及石灰生產設施的排氣筒均應安裝煙氣排放連續監測系統(CEMS)和分布式控制系統(DCS)。而且,《意見》對石灰生產過程中顆粒物排放濃度、原料與產品的儲存和輸送、產塵點粉塵治理、廠區道路清潔維護等做出明確要求。
        此外,部分地區對石灰生產二氧化硫、氮氧化物的排放濃度也作出了要求。201911日開始實施的河北省地方標準《鋼鐵工業大氣污染物超低排放標準》(DB13/2169-2018)中要求,石灰生產顆粒物排放濃度達到10mg/m3以下,石灰窯、白云石窯焙燒二氧化硫排放濃度限值50mg/m3、氮氧化物150mg/m3;現有企業將于2020101日起開始執行此排放限值,新建企業自標準實施之日起執行。
           近年來,中央環保督察加碼推進,污染防治和生態保護力度不斷加大;從打好藍天保衛戰到打贏藍天保衛戰,一字之差彰顯環保政策日趨嚴苛的必然性。與石灰生產工藝相近的水泥行業已經率先打響超低排放治理的攻堅戰,各地陸續發布相關超低排放標準,加速了水泥企業短期內迅速升級環保裝備、降低排放指標的進程。如:唐山市水泥企業需要在20209月底前將粉塵、二氧化硫、氮氧化物分別控制到不高于10mg/m3、30mg/m3、50mg/m3。
        四、“十四五”石灰行業環保治理措施及方向:
           環境的新變化和業態發展的新變化,為石灰產業新的發展既帶來良好機遇,又帶來嚴峻的挑戰,石灰行業超低排放改造已成為大勢所趨!笆奈濉逼陂g節能減排是石灰生產企業面臨的艱巨任務,企業必須要保持對環保工作的高度重視,從技術開發、生產管控等環節采取措施,加大治理力度,才能使企業滿足環保超低排放要求,實現綠色生產和可持續發展。
        從近幾年的石灰行業環保治理情況看,環保治理雖然增加了企業經營成本,但與此同時也倒逼了落后產能的退出,促進了石灰企業節能減排的技術革新,使石灰價格一直保持在一個合理的利潤空間,避免了石灰產品的“白菜價”賤賣,這也是對市場有利的一面。在此形勢下,企業必須要采取有效地應對措施,來實現企業的環保清潔生產,滿足超低排放限值要求,以求穩中盈利。同時,尤其要注意的石灰企業新建項目要以*高環保要求設計建設,要做到環保配套一步到位,以免走彎路。
        近期,國家對環保的要求日趨嚴格,繼對粉塵、二氧化硫等空氣污染物進行嚴格限排之后,將“氮氧化物”減排作為部分行業“十四五”期間減排工作的重點。從目前情況看,與石灰行業相關的鋼鐵行業及相近的行業水泥行業“氮氧化物”治理情況看已經基本完成治理工作,而石灰行業僅僅完成了“粉塵及二氧化硫”的排放治理工作,絕大部分石灰窯未采取任何的氮氧化物控制措施。因此,石灰行業“氮氧化物”減排工作迫在眉睫。目前,部分省市已經下達石灰行業氮氧化物排放治理標準,雖然各地區指標有差別,但是主流治理指標都在200mg以下,部分設定在100mg以下,接近了超低排放50mg的指標范疇。
        五、石灰行業“氮氧化物”治理措施情況:
        在石灰生產工藝中,石灰石受熱分解釋放出CO2,此反應屬于吸熱反應,煅燒過程需要燃燒系統提供大量的熱量。石灰窯可以以煤碳或焦炭為燃料,也可以使用氣體燃料,但無論使用何種燃料,均要滿足窯內的煅燒溫度,否則會造成石灰石分解速度過慢或者產生過燒現象。
       “脫硝,指燃燒煙氣中去除氮氧化物的過程,通常來講,在石灰窯煅燒帶,爐膛溫度高達950℃~1100℃,瞬時溫度甚至能超過1200℃,在此溫度條件下,無論使用何種燃料,均會產生大量的NOx。而煙氣是石灰窯的主要排放物,由于煙氣中含有大量的氮氧化物 NOX NO,這些氮氧化物如果直接排放到大氣中,會污染空氣,形成光化學煙霧和酸雨,危害人體健康,因此煙氣在排放之前必須經過脫氮 (即脫硝 ) 處理。
        目前可應用于石灰窯煙氣脫硝技術主要有兩種:選擇性催化還原 (SCR) 技術和選擇性非催化還原脫硝 (SNCR)技術。
           SCR技術起源、成熟于電力行業,是目前較為成熟的高效脫硝技術。但是,目前該項技術還無法真正應用到石灰行業,主要原因如下:
    1)、生產工藝不適用:
           由于石灰窯爐行業脫硝煙氣溫度一般在180℃~240℃,而常規SCR催化劑的*佳反應溫度一般在320℃~400℃,額外增溫需要增加費用。而且石灰窯爐煙氣中粉塵中含有大量K、Na、Ca、Mg等,在有SOSO存在的情況下,會生成帶粘性的硫酸鹽,并覆蓋在催化劑的表面影響其活性,嚴重影響其治理效果。
    2)、運行成本過高:
           SCR催化劑的工作條件比較惡劣,由固體沉積物使微孔堵塞堿性化合物(特別是鉀或重金屬)引起中毒、引起中毒、飛灰腐蝕等原因造成了催化劑SO3中毒失效,必須定期更換。更換時間依具體情況而定,一般1年至5年。而且,氨泄露以及其導致的硫酸氨鹽的集聚會導致空氣預熱器性能下降或者影響下游除塵設備及下游氣體應用設備的使用效果。尤其是SCR的核心部件-催化劑特別容易中毒,嚴重影響著脫硝系統的正常使用且增加了運行成本。
    3)、占地多,投資過高:
           SCR技術系統占地面積較大,設備投資費用較高。以年產10萬噸的石灰豎窯測算,采用SCR技術裝備投資至少在200-300萬元,其投資已經接近一座普通石灰豎窯的投資了,顯然,這是用戶無法接受的主要原因。
       六、新型高效低成本脫硝技術—嵌入式梯級爐內還原脫硝技術(TLH)”介紹:
           綜上所述,制約石灰行業進行“氮氧化物(即脫硝)”治理工作的主要原因還是沒有“適宜的技術”和“投資過高”的兩個主要問題。那么,有沒有能夠解決這些關鍵因素的方法和途徑呢?答案是肯定的,而且已經在2021年開始推廣應用了。
           這項技術是由“中國石灰產業學會”與“唐山金泉冶化科技產業集團”的“聯合研發中心”和國內“*環境治理單位”聯合主導研發的“嵌入式梯級爐內還原脫硝技術(TLH),該項技術及成套設備制作由“唐山金泉冶化科技產業集團”旗下“唐山市豐南區金泉冶金能源新技術開發有限公司”和“唐山金泉成套設備有限公司”負責設計、制造、安裝。
          “嵌入式梯級爐內還原脫硝技術(TLH)”技術原理來自于SNCR脫硝技術原理,SNCR 是選擇性非催化還原(Selective Non-Catalytic Reduction)是一種成熟的低成本脫硝技術。該項技術的關鍵點就是不需要催化劑,只需要還原劑與高溫煙氣中的 NOx 發生反應,生成氮氣和水,而煙氣中的氧氣卻極少與還原劑反應,從而達到對 NOx 選擇性還原的效果。此類技術已經廣泛應用在鍋爐及水泥行業,還原劑一般采用氨水,脫硝效率大都在30%70%范圍。
           雖然,SNCR 技術能夠應用于鍋爐等領域,但是SNCR 技術中溫度窗口的選擇非常重要。溫度過低時,NH3 反應不完全,發生氨逃逸,引起二次污染;溫度過高時,NH3 則被氧化成 NOx,反而增加 NOx 排放。因此,SNCR 只能在一個很窄的溫度窗口內和特定區域內才能起到較好的脫硝效果。
           顯然,石灰窯在生產中很難滿足上述條件,而且采用氨水為還原劑也不符合石灰的煅燒工藝要求。
          “嵌入式梯級爐內還原脫硝技術(TLH)“技術是根據上述原理進行的再創新,劇該項技術專利持有人“唐山金泉成套設備有限公司”技術人員介紹該項技術的反應原理為:根據布朗運動和分子間作用力原理,由于還原劑的介入使得高溫高壓水蒸氣分子化學鍵非常不牢固,與碳反應生成一氧化碳和氫氣:C+H2OCO+H2;一氧化碳和氫氣分別參與兩個化學反應:CO+2NOCO2+N22H2+2NO2H2O+N2;部分氫氣與氮氣反應生成的還原氣體與一氧化氮反應還原成氮氣:N2+3H22NH36NO+4NH35N2+6H2O,因此使得氮氧化物被完全還原,達到低成本脫硝目的。需要說明的是,其中的還原劑成分至關重要,選擇合理的還原劑品種及適宜的用量和適宜的還原溫度和還原時間才是其關鍵。
           該項技術已經過長期的試驗研究、數值計算和工程實踐,該技術系統具有下列顯著優點:
    1)、無需增加脫硝塔、反應器等大型爐外投資設備,實現石灰窯爐內直接脫硝,在石灰窯窯體上適宜的溫度區不同部位“嵌入式安裝脫硝設備”,不影響石灰窯的正常生產操作,而且可以任意調節或停止脫硝設備的運行。由于在爐內不同溫度區域進行脫硝,充分利用了石灰窯生產中的余熱,不需要外部增溫增加的能耗費用。
    2)、不采用“氨水”等材料為還原劑,采用各地易購的新型高分子材料為還原劑,脫硝效果更佳、沒有“水”和“氣”的二次排放污染也無固體廢棄物產生。
    3)、采用氣相法和液相法綜合操作方法,以石灰窯生產中原動力系統輸送介質至爐內,在爐內活化和汽化,瞬間與NOx發生化學反應,還原成N2H2O。
    4)、采用梯級治理方法,巧妙的利用了石灰煅燒過程中石料下降時與氣流逆交換產生的充足的氣流停留時間進行NOx 還原反應,可以在NOx產生源頭上進行燃燒過程控制以降低NOx含量,而且溫度選擇性也較強,使操作更簡單。
    5)、爐內還原氣氛均勻、壓力穩定、阻力小,而且脫硝還原帶設置在貧氧而富燃料的區域,有助于減少燃料中的氮形成NOx(即燃料型NOx)。
    6)、實現自動控制,采用獨立的可編程序邏輯控制器,根據采集的相關信號,控制、調節主要設備運行情況,實現高效脫硝。
    7)、系統設備結構簡單,設備占地極少,可以安裝在石灰窯空閑處的平臺上。
    8)、投資極低,性價比高,與選擇性催化還原 (SCR) 技術投資相比只有其10%的投資,極具投資性價比,尤其適合民營企業選擇應用。
    9)、運行成本極低,運行費用約2-4/噸石灰,相對于選擇性催化還原 (SCR) 技術運行成本低約200%300%范圍。
    10)、脫硝效率高:75-90%
       同時,該項技術還有以下典型的綜合技術效果:
           該項技術是在原“唐山金泉公司”推出的“氣化法生產高活性石灰技術” (詳見該項技術介紹:點擊文字進入:)基礎上進一步升級,由于“嵌入式梯級爐內還原脫硝技術(TLH)”在使用時需要少量的水與還原劑中和,當還原劑中的水在爐內蒸發時產生的氫原子恰好與高溫石灰石發生活性反應,增加了石灰的活性,劇現場測試可提高活性度40-70ml范圍,*高活性度可達400ml以上。
         “嵌入式梯級爐內還原脫硝技術(TLH)”技術可直接應用該項技術裝備,不用另行增加投資,實現了增加石灰活性和脫硝雙重效果,可謂一舉兩得。
       七、嵌入式梯級爐內還原脫硝技術(TLH)”的實施效果:
          目前,該項系列技術已經開始全面推廣,經“唐山金泉公司”合作實施單位提供的數據顯示,已經在部分石灰回轉窯和豎窯上應用,部分實際案例數據:
         (1)、青海省某回轉窯用戶實施治理效果:
                治理前氮氧化物排放指標:≥1000mg/m³
                治理后氮氧化物排放指標:≤300mg/m³
                脫硝率:≥70%
         (2)、某石英石煅燒豎窯用戶:
                治理前氮氧化物排放指標:≥600mg/m³
                治理后氮氧化物排放指標:≤200mg/m³
                脫硝率:≥65%
         (3)、唐山金泉公司*新工業實驗數據:
               采用液相法時:
               實驗前氮氧化物排放指標:≥450-550mg/m³范圍
               實驗后氮氧化物排放指標:≤150-200mg/m³范圍
               脫硝率:≥70%
               采用氣相法時:
               實驗前氮氧化物排放指標:≥450-550mg/m³范圍
               實驗后氮氧化物排放指標:≤80-150mg/m³范圍
               脫硝率:≥80%
       八、部分現場實施照片:
        九、推廣實施方案:
           從目前我國石灰生產工藝裝置特性來看,采用噴煤粉的回轉窯和豎窯煙氣氮氧化物含量*高,噴煤粉的回轉窯一般都≥1000mg/m³,噴煤粉的豎窯一般都≥600mg/m³,混料式燃煤豎窯一般都≥350-500mg/m³范圍,其它豎窯一般都≥450mg/m³.
           根據“嵌入式梯級爐內還原脫硝技術(TLH)”技術的工藝原理和實際應用效果看,該項技術*適宜在石灰豎窯上使用,尤其是燃煤(焦炭)混料式豎窯、燃氣豎窯,同時也適合雙膛豎窯和套筒豎窯及雙梁式豎窯等。
           從“中國石灰產業學會”2011年新技術推廣規劃方案看,首批示范型推廣用戶將在唐山金泉公司已經建設完畢并投入生產的“第三代”和“第四代”石灰豎窯省級示范工程中應用。2021年唐山金泉公司新建“第四代煤電一體化石灰窯”全部應用該項技術。實際上,唐山金泉公司已經在2015年開始在所建設的石灰窯中都預留了窯體脫硝工藝裝置的接口(包括操控裝置和平臺等),為后續安裝脫硝裝置打下了基礎。其它非唐山金泉公司設計的窯型如果具備安裝和改造條件的也可以選擇應用。
           目前,唐山金泉公司首套定型推廣示范成套設備在青海省某示范工程開始安裝,預計在20212-3月份投入運營。
        策劃指導單位:中國石灰產業學會   
           聯系:18333897188
     
        項目實施單位:唐山金泉成套設備有限公司   
         聯系:15512593479
           十、結語:
           持續創新是企業永葆活力的根本,唐山金泉公司以用戶需求為導向,持續為客戶創造價值的的理念貫穿于企業32年的發展歷程中,創新思維和效益理念深入到每個金泉人心中,正是有他們這樣的服務團隊才使得我們行業有了不斷改進和提升的機會。一項看起來雖不起眼,卻在生產中極具實用價值的小發明,往往能給我們帶來意想不到的效果和財富。所以,不是只有高大上、高難度的技術創新才能給企業帶來巨大的經濟效益,有時候小發明、小創造,只要能解決實際問題,同樣能發揮巨大作用。
          “中國石灰產業學會”副秘書長孫武生在調研中指出:“嵌入式梯級爐內還原脫硝技術(TLH)項目的成功運行”為國內石灰生產廠家提供了低成本運行超低排放的應用典范”,示范工程穩定運行數據充分表明了技術路線的合理性、工程產業化的可推廣性以及技術經濟性能的優越性,是我國石灰生產超低排放技術的一大創新,為我國石灰行業環保升級和綠色發展樹立良好的示范引領。而且該項技術還可以有效提高石灰的活性度,無形中為客戶的產品提高了品質和增加了經濟效益,目前活性石灰的價格高于普通石灰價格很多,從這個角度講投入的脫硝設備不但沒有增加運行費用而且還增加了經濟效益,“低成本脫硝”完全可以理解為“無成本脫硝”,這在石灰行業絕對是一個創舉。
           目前中國超低排放標準執行的是世界范圍內*嚴格的標準,要求氮氧化物排放穩定低于50mg/m3,劇現場數據測算“嵌入式梯級爐內還原脫硝技術(TLH)的排放指標可以穩定在80-150mg/m3范圍,雖然嚴格意義上講還沒有達到真正的“超低排放”,但是,從石灰行業的環保要求來講已經是非常不錯的指標了,已經優于國家相關的行業標準了,隨著技術的不斷進步和生產中的實踐摸索,我們有理由相信*終有理想的排放指標的。
           我國是一個石灰生產大國,年產量已經接近3億噸,產量已多年居世界首位,但石灰產能所取得的成績在某種意義上是以犧牲環境為代價的,均是粗放發展的結果。事實上,我國石灰產業的發展質量和和物耗水平與國際先進水平相比還有很大差距,所造成的環境影響也越發嚴重,為了人與社會的和諧共處,我們必須從宏觀和微觀角度雙管齊下,在宏觀上加強環境的治理力度,在微觀上樹立石灰企業的環境經營意識和體系。
           2021年是“十四五”的開局之年,我國石灰行業將面臨繼續深化推進超低排放技術改造、開展低碳發展戰略研究等發展趨勢,石灰作為我國工業重要支撐產業,機遇與挑戰并存。石灰產業應繼續推進裝備升級、加快淘汰落后產能、推進超低排放改造、提升綠色低碳發展水平等工作,全面推動冶金石灰產業走上高質量發展之路。
           從目前我國石灰行業的生產狀況看,只要采取措施、加大投入,企業所產生的所有污染原則上都可以得到有效的治理,但由于生產裝備的工藝水平不一,取得同樣治理效果所需要的投入差別較大。大型化、現代化的生產裝備,資源能源利用效率高,環保改造的投入相對較小,而落后生產裝備污染物產生量大、治理難度大,改造所需環保成本將遠高于先進的生產裝備。所以,傳統石灰企業提升的過程是一個重新洗牌的過程,想在大浪淘沙之中獲得重生的企業,要認清形勢,加大環保投入,轉變生產經營理念。而對新建石灰企業來說確是難得的投資機遇,只要能夠走上環保優先之路,必將走上成功之路。
     
                      中國石灰產業學會
                             孫  菲
                          2021.01.08

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